¿Por qué una estrella se expande a medida que se convierte en un gigante rojo?

Cuando todo el hidrógeno en una estrella se fusiona con helio, el núcleo se contrae y la temperatura del núcleo aumenta. Este aumento de la temperatura y presión del núcleo hace que el helio se fusione con el carbono a través del proceso triple alfa.

Esta fusión libera más energía que la fusión de hidrógeno a helio, lo que provoca un aumento de la presión de radiación. Este aumento de la presión de radiación empuja la materia hacia afuera, expandiendo así la estrella. A medida que la estrella se expande, su superficie se enfría y se vuelve más roja: se forma un gigante rojo.

Las estrellas grandes pueden pasar por muchos ciclos de fusión formando ‘capas’ alrededor del núcleo hasta e incluyendo el hierro. Para estas grandes estrellas, una vez que se forma un núcleo de hierro, cesa la fusión. Esto se debe a que el hierro tiene la energía de unión más alta de cualquier núcleo atómico. El núcleo luego se derrumba dando como resultado una explosión de supernova cataclísmica. Dentro de la supernova, las temperaturas pueden alcanzar miles de millones de grados, lo que permite la fusión y la formación de trazas de elementos químicos más pesados que el hierro.

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Me gustaría agregar un poco a las respuestas de Mike y Christian, porque una estrella se convertirá en un gigante rojo antes de que comience a quemar helio. De hecho, se hinchará en un gigante rojo sin dejar de quemar hidrógeno en un caparazón en la superficie del núcleo de helio. Sin embargo, la quema de conchas libera más energía que la quema de núcleos, pero incluso eso solo no haría que la estrella se convirtiera en un gigante rojo, ya que podría brillar más. El verdadero culpable es la combinación de la mayor tasa de producción de energía Y que la estrella tenga una mayor opacidad en esa etapa de la vida. Esto produce una crisis energética en la que la energía no puede escapar radiativamente lo suficientemente rápido, y la convección tendría que ser supersónica para reequilibrar la estrella. Dado que la convección supersónica está altamente desfavorecida (es decir, imposible), la estrella se expande enormemente hasta el punto de que el flujo de energía en el caparazón en llamas coincide nuevamente con el flujo de energía en la superficie ahora mucho más grande.